DNA储存技术又获新突破，所有物品都能成为“硬盘”

hvyikey · 发表于 2019-12-13 16:06:37

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根据发布在《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）期刊上的一项最新研究，DNA 储存技术又取得了一项新的突破。
据《连线》杂志报道，科学家通过一种含有 DNA 数据的材料 3D 打印出一只塑料塑料兔子。神奇的是，如果切下这只塑料兔子身上的尾巴，也可以在解码尾巴的 DNA 信息后，制造出一只一模一样的的兔子。

这个场景，不禁让人联想到电影《侏罗纪公园》里科学家通过琥珀中的蚊子提取中恐龙的 DNA，成功让恐龙复活。这次不一样的是，通过 DNA「复活」的并非有生命的物体，而是一个塑料模型。

▲图片来自：《侏罗纪公园》
可以想象一下，这项技术能让 DNA 里的数据储存在几乎任何物体中，这些物体损坏了没关系，只要还有一小块就能复原所有数据，也就说，所有物品都能成为储存数据的「硬盘」。
以色列基因测序公司 MyHeritage 的首席科学家 Yaniv Erlich 是这篇研究论文的主要作者，他把这种将 DNA 整合到日常的物品中的技术，称为「万物 DNA」（DNA of things），这将重新定义「智能设备」。
要了解那只神奇的塑料兔子是怎么制作出来的，首先得先简单了解 DNA 储存数据的原理，所有计算机数据都是以 0 和 1 组成的二进制数存储和运算的，而 DNA 储存技术则是用四种碱基来代替 0 和 1 ，将数字信号转化为化学信号。

根据研究论文的介绍，研究人员先将制作这只兔子的数字化模型数据转换为 DNA 的碱基数据，并将这些 DNA 分子封装到大小为 160 纳米的微型玻璃珠中，并将数万亿个嵌入可生物降解的热塑性聚酯，用这种材料 3D 打印出兔子，在这只塑料兔子里包含了 3.7 亿份描述其轮廓的数字文件。

塑料兔子的 3D 打印与解码原理图. 图片来自：《自然-生物技术》
这只兔子叫做斯坦福兔子 ( Stanford Bunny)，这不是随便起的名字，所谓「斯坦福兔子」，是一种计算机图形学领域广泛采用的 3D 测试模型，是早在 1994 年由斯坦福大学图形实验制作。
3D 打印并不新鲜，真正的突破在于只需切下这只「斯坦福兔子」的一小块，就能还原整只兔子的数字化模型，这是怎么做到的？
研究人员通过聚合酶链式反应（PCR）对切下小块的 DNA 片段复制扩增，这能将微量的 DNA 大幅增加，最后通过 DNA 测序解读完整的原始数据。
不过这些操作能够实现的前提是保持 DNA 分子化学结构的完整，要知道 DNA 分子十分脆弱，高温、酸碱大幅变化和紫外线都可能破坏其中的编码信息，Yaniv Erlich 利用生成带正电荷的二氧化硅颗粒作为 DNA 分子的保护壳，让 DNA 分子在打印过程中免遭破坏。
据悉研究人员通过这种方式一共制作了五代兔子，在这个过程没有发生任何信息的丢失，每一代兔子的信息都和原始的数字文件相同。
美国加州大学洛杉矶分校生物化学专家 Sriram Kosuri 认为，这项研究展示了 DNA 数据储存技术更有前景的应用方式，即「让数据储存无处不在」，所有日常物品都可以用来储存有用的数据。
在研究论文中，就列举了这项技术在医学领域的应用，可以在医学植入物中储存这种植入物的信息和病人的病历资料，作为一种能保存更久的「DNA 电子病历」。
这项研究证明了这种技术的可行性，但现阶段并不实用。因为 DNA 数据的解码成本太高和而且十分耗时，目在 DNA 测序的价格还不够亲民， Yaniv Erlich 制作那只兔子的成本大约就要 14000 元，而且从编码到解码需要花费几十个小时。
数据的输入和读取效率一直是 DNA 储存技术商业化的最大瓶颈之一，今年年初微软首次实现了全自动 DNA 信息存储，仅仅是编码「hello」五个字母，从转换到读取就要花费 21 小时。
除了 3D 打印的兔子，研究人员还进行了另外一项实验，将一段 1.4 MB 的视频储存在眼镜的树脂玻璃镜片中，来展示通过这种技术隐藏信息的潜力，这大概会成为特工们身上的又一项黑科技吧。
在科幻小说《三体》中，人们发现发现把信息储存 1 亿年的唯一可行方法，就是「把字刻在石头上」。很多人会说这样储存的信息量十分有限，但通过这种「万物 DNA」技术，将数据储存在石头上或许真的可能实现数据的永久储存。
（来源：ifanr；责编：Demi Xia）